Коэволюция: непроточная модель вирулентный фаг-бактерия
Таким образом, конкретные значения параметров системы фаг-бактерия таковы, что даже с некоторым "запасом прочности" обеспечивают появление следующих пар мутантов: "критические" концентрации и фагов, и бактерий примерно на порядок меньше наибольших. Совместная динамика популяций фага и бактерии исследовалась путем численного решения системы уравнений (12.1) на ЭВМ. На рис. 12.2 показана типичная картина смены пар взаимоспецифичных штаммов - родительской и "дочерней" (мутантной) - при реальных значениях параметров и начальных условий. Картина явно идеализированная, так как детерминистически описывает элементарный шаг коэволюции при одной и той же частоте мутантов: 10-6 для бактерии и 10 -7 для фага. Тем не менее ряд особенностей процесса оказался весьма нетривиальным.
Рассмотрим их для популяций бактерии и фага в отдельности. Как видно из рис. 12.2, полное "время жизни" бактерий насчитывает около 40 поколений. Однако среднее время фиксации мутантов ззаметно меньше. Дело в том, что первый такой мутант появляется где-то через 22-23 поколения. Его фиксация наступит тогда, когда фаг целиком уничтожит исходный штамм. Это происходит спустя еще 17-18 поколений (см. рис. 12.2), а до тех пор бактериальная культура полиморфна: мутантные клетки сосуществуют с исходными "нормальными" и размножаются в одинаковом с ними темпе. Следовательно, на данном этапе они селективно нейтральны. Ситуация в корне меняется на последнем этапе (3-4 генерации), когда свободное размножение бактерий сменяется активным уничтожением их фагами. В новой экологической обстановке (высокая концентрация вирулентного фага), подготовленной всем ходом предыдущих событий, приспособленность чувствительных к фагу бактерий резко падает и мутантные клетки, ранее нейтральные, становятся адаптивными - выживают только они. Период колебаний (см. рис. 12.2) составляет 21-22 поколения - это и есть среднее время фиксации мутаций. Учитывая сказанное, его можно поделить на два периода: 1) период "ожидания" (17-18 генераций), когда мутантные клетки, имея низкую частоту, "ждут" того момента, когда экологическая ниша изменится таким образом, что они окажуться адаптивнее предыдущего варианта; 2) период собственно фиксации, длящийся всего 3-4 генерации, когда за счет тотального лизиса исходного штамма мутантные клетки автоматически повышают свою частоту до 1.
В микроэволюционном цикле фага также имеется период, когда фаг как бы "ждет" смены экологической ниши на более благоприятную. Такой нишей для него является популяция восприимчивых к инфекции бактерий, достигшая соответствующей численности (X E b/a). Вместе с тем в отличие от бактерий мутантные фаги в период "ожидания" вообще не размножаются, но как коэволюционный партнер фиксируются они постольку, поскольку становятся адаптивными при появлении благоприятной ниши - размножившихся, чувствительных к ним бактерий.
Впрочем, о фиксации в строгом смысле слова здесь говорить нельзя. Модель такова, что в резервуаре, где идут рассматриваемые процессы, неизбежно происходит накопление фаговых частиц. Свойства этого резервуара, в частности его предельная емкость, не учитывались. "Отработанные" вирусы более не рассматривались и молчаливо подразумевалось, что новая пара штаммов как бы попадает в новый свободный резервуар, где все начинается сызнова. На принципиальную возможность коэволюции генов в системе фаг-бактерия эти упрощения, очевидно, не влияют, так что основные качественные тенденции коэволюции выявляются уже при грубом моделировании. Однако в общем случае необходимо учитывать процессы спонтанной деградации форм, наличие протока и т.п. (см. 12.3) .
В свете этих результатов рассмотрим некоторые аспекты проблемы нейтрализм-селекционизм.
В промежутке между смежными фиксациями приспособленность мутантов непостоянна. В момент возникновения и в процессе "ожидания" встречи с новым, мутантным, партнером мутации и бактерии, и фага нейтральны, или даже дефектны, но фиксируются они исключительно в статусе адаптивных. Такая переоценка со временем приспособленности одного и того же мутанта связана с закономерными изменениями экологической ниши: у мутантных бактерий - с полным лизисом предшествующего штамма, а у фагов - с ростом численности восприимчевых к нему бактерий.
Непостоянство приспособленности мутантов подразумевается для локально-адаптивного, но глобально не направленного процесса эволюции генов. Однако моделирование коэволюции фага и бактерии позволило получить эти данные в явном виде. В связи с этим отметим, что давление отбора не вводилось в данную модель "извне", а автоматически усиливалось в ходе элементарных генетических и экологических событий.
Если в процессе филетической коэволюции фага и бактерии основные параметры поддерживаются постоянными или слабо варьируют, то процесс последовательных фиксаций должен идти с постоянной скоростью. Это постоянство, однако, вовсе не означает нейтральности фиксируемых мутаций.
Полученные данные свидетельствуют также об особой роли константы скорости адсорбции a в коэволюции фагов и бактерий.
Действительно, коэволюционная "тактика" бактерий сводится к тому, чтобы мутационным путем уменьшить a (по возможности до 0), а фага - напротив, повысить a (по возможности максимально). Однако наибольшее значение, которое может принимать a, жестко ограничено сверху. На это указывали результаты уже первых вычислений a. Данный параметр можно оценить, во-первых, из кинетики адсорбции фага, которая при избытке бактерий является реакцией первого порядка ( Schlesinger, 1932 ) , а во-вторых, считая, что адсорбция есть результат диффузии мелких фаговых частиц по направлению к неподвижным большим бактериальным клеткам. Так, Шлезингер и Дельбрюк ( Delbruck, 1940 ) исследовали процесс адсорбции, применив к нему уравнение Смолуховского, которое описывает кинетику коагуляции коллоидных суспензий. Согласно этому уравнению, константа a определяется так:
a=4*pi*r*D*f, (12.5)
где r - радиус сферы, "аппроксимирующей" бактериальную клетку; D - коэффициент диффузии фаговой частицы (размерами самой частицы можно пренебречь); f - доля столкновений между фагами и клетками, которая заканчивается адсорбцией. Из (12.5) легко определить a/f и сравнить ее с a, найденной в опыте первым способом. Оказалось, что, например, для фага Т4, адсорбирующегося на E.coli, a/f=0.24*10 -8 мл/мин, a экс= 0.25*10 -8 мл/мин. Следовательно, f близко к 1, т.е. почти каждое столкновение фаговой частицы с клеткой дает необратимую адсорбцию. Позднее, впрочем, было показано, что механизм адсорбции все же сложнее простой схемы "столкновение- прикрепление" ( Адамс, 1961 ; Стент, 1965 ; Schwarts, 1976 ) . Адсорбция слагается, как минимум, из двух стадий. Помимо диффузии и столкновения важную роль играет вторая стадия, определяющая долю удачных (для фага) встреч с клеткой - f. Именно фактор f чувствителен к изменению температуры, ионной силы, плотности распределения молекул рецепторного белка на клеточной стенке. Этот же фактор меняется при мутационном искажении структуры рецепторов и белков адсорбции.
Таким образом, если даже фаг прикрепляется к клетке необратимо (когда f=1), константа a не может превышать величины 10 -7мл/генерацию: более эффективной адсорбции в принципе быть не может. Следовательно, "малость" a объясняется в данном случае тем, что адсорбция - это процесс, жестко лимитированный физической диффузией. В этой связи необходимо подчеркнуть следующее. В формулах (12.3) параметры v, w, b, и a участвуют как совершенно равноправные сомножители и изменение любого из них сказывается на величинах Xmax и Ymax. Однако порядок величин Xmax и Ymax определяется в первую очередь a. Поэтому для ответа на вопрос о возможности устойчивой коэволюции генов рецепции и адсорбции необходимо выяснить, существует ли корреляция между значением константы a и скоростью возникновения соответствующих мутаций различных пар штаммов фага и бактерии. Прямых данных на этот счет не получено, но известно, что :
а) величина генома прокариот коррелирует с их мутабильностью: чем больше геном, тем меньше скорость мутирования в расчете на одну п.н., а суммарная вероятность мутирования (на геном) примерно постоянна и равна ~10-3 -10-3 за репликацию. ( Drake, 1970 , 1973 ) ;
б) чем больше суммарная мутабильность, тем выше шансы возникновения мутаций, определяющих возможность коэволюции фагов и бактерий. Так, например, наличие гена-мутатора mut H1 у E.coli K12 повышает частоту бактериальных клеток, устойчивых к фагу Т5, до 10-6 , что в 20 раз больше, чем у штаммов, лишенных мутатора. При совместном культивировании в хемостате обоих штаммов в присутствии фага Т5 штамм с геном-мутатором успешно вытеснял конкурента как раз за счет более быстрого появления резистентных клеток ( Nestmann, Hill, 1973 ; Cox, Gibson, 1974 ) . Позднее выяснилось, что повышенную мутабильность обеспечивают в данном случае транспозоны ( Chao et al., 1983 ) . В свою очередь, фаги могут контролировать мутабильность собственного генома ( Dove, 1968 ; Drake, 1970 ) , в том числе благодаря генам-мутаторам ( Speyer, 1965 ; Speyer et al., 1966 );
в) величина генома прокариот скоррелирована с их размерами, а чем больше эти размеры, тем выше вероятность случайного столкновения паразита и хозяина в процессе ненаправленной диффузии в единице объема и за единицу времени.
Все это - косвенные аргументы в пользу существования неслучайной связи между значениями констант скоростей адсорбции a и мутирования (m и l), связи, являющейся, по-видимому, результатом совместной эволюции вирулентных фагов и бактерий.
Смотрите также:
